光纤通信实验

光纤通信原理讲义

光通信技术是当代通信技术发展的最新成就，在信息传输的速率和距离、通信系统的有效性、可靠性和经济性方面取得了卓越的成就，使通信领域发生了巨大的变化，已成为现代通信的基石，是信息时代来临的主要物质基础之一。

光纤即光导纤维，光纤通信即以光波为载频，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式。

1966年英籍华裔学者高锟（C.K.KA）和霍克哈母（C.K.HOCKHAM）发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤（Optical Fiber）进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信——光纤通信的基础。1970年，光纤研制取得了重大突破，同时作为光纤通信用的光源也取得了实质性的进展。由于光纤和半导体激光器的技术进步，是1970年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。1976年，美国在亚特兰大（ATLANTA ）进行了世界上第一个实用光纤通信系统的现场实验，系统采用GAALAS激光器作为光源，多模光纤做传输介质，速率为44.7Mb/s，传输距离约10km。1976年美国亚特兰大进行的现场实验，标志着光纤通信从基础发展到了商业应用的阶段。此后，光纤通信技术不断发展：光纤从多模发展到单模，工作波长从850nm发展到1310nm和1550nm，传输速率从几十发展到几千。另一方面，随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降，应用范围不断扩大：从初期的市话局间中继到长途干线进一步延伸到用户接入网，从数字电话到有线电视（CATV），从单一类型信息的传输到多种业务的传输。同时由于光纤通信的诸多优点，如传输频带宽、通信容量大；传输损耗低、中继距离长；线径细、重量轻，原料为石英，节省金属材料，有利于资源合理使用；绝缘、抗电磁干扰性能强；还具有抗腐蚀能力强、抗辐射能力强、可绕性好、无电火花、泄露小、保密性强等优点，可在特殊环境或军事上使用等，目前光纤已成为信息宽带的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家基础设施的支柱。

【实验目的】

1. 了解光纤通信系统的基本原理及基本结构；

2. 掌握LTE-GX-02E型光纤通信实验系统各模块的构造及功能；

3. 了解模拟信号（正弦波、三角波、方波、电话语音、图像）光纤系统的通信原理；

4. 了解完整的模拟信号（正弦波、三角波、方波、电话语音、图像）光纤通信系统的

基本结构；

5. 了解固定速率时分复用和解固定速率时分复用的实现方法；

6. 了解4路数据电话光纤综合传输系统（选作）。

【实验原理】

一、光纤通信系统基本原理和结构

一个实用的光纤通信系统，要配置各种功能的电路、设备和辅助设施才能投入运行。如接口电路、复用设备、管理系统以及供电设施等等。根据用户需求、要传送的业务种类和所采用传送体制的技术水平等来确定具体的系统结构。因此，光纤通信系统结构的形式是多种多样的，但其基本结构仍然是确定的，如图1

图1 光纤通信系统模型

光纤通信系统主要由三部分组成：光发射机、传输光纤和光接收机。其电/光和光/电变换的基本方式是直接强度调制和直接检波。实现过程如下：输入电信号既可以是模拟信号（如视频信号、电话语音信号），也可以是数字信号（如计算机数据、PCM编码信号）；调制器将输入的电信号转换成适合驱动光源器件的电流信号并用来驱动光源器件，对光源器件进行直接强度调制，完成电/光变换的功能；光源输出的光信号直接耦合到传输光纤中，经一定长度的光纤传输后送达接收端；在接收端，光电检测器对输入的光信号进行直接检波，将光信号转换成相应的电信号，再经过放大恢复等电处理过程，以弥补线路传输过程中带来的信号损伤（如损耗、波形畸变），最后输出和原始输入信号相一致的电信号，从而完成整个传送过程。此外光纤通信系统还包括中继器和光纤连接器、耦合器等无源器件等。中继器由光检测器、光源和判决再生电路组成。它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减；另一个是对波形失真的脉冲近行政性。由于光纤或光缆的长度受光纤拉制工艺和光缆施工条件的限制，且光纤的拉制长度也是有限度的（如1Km)。因此一条光纤线路可能存在多根光纤相连接的问题。于是，光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合，对光纤连接器、耦合器等无源器件的使用是必不可少的。

根据所使用的光波长、传输信号形式、传输光纤类型和光接收方式的不同，光纤通信系统可分成：

（1）按光波长划分可以分为短波长和长波长光纤通信系统

（2）按光纤特点划分

（5）其它

二、LTE-GX-02E型光纤通信实验系统

LTE-GX-02E型光纤通信实验系统的整体框图如图2：

图2 LTE-GX-02E型光纤通信实验系统的整体框架图LTE-GX-02E型光纤通信实验系统的系统框架图如图3：

图3 LTE-GX-02E型光纤通信实验系统框架图

三、模拟信号光纤传输系统

本实验中将模拟信号源输出的正弦波、三角波、方波信号通过光纤进行传输。模拟信号源的电路图如图4：

图4 模拟信号源的电路图

图中P400是输入的方波信号，输入的方波信号有两种频率可选1k、2k。P401是三角波的输出端，P410是正弦波的输出端。

四、电话语音光纤传输系统

本实验系统的电话系统采用了热线电话的模式，热线电话的工作模式：其中任意一路摘机后（假定是甲路），另一路将振铃（假定是乙路）而电话甲将送回铃音。当乙路摘机后，双方进入通话状态。当其中一路挂机后另一路将送忙音，当两部电话都挂机后通话结束。

电话接口芯片采用的是AM79R70，电路原理如图5:

图5 AM79R70应用电路图

AM79R70的工作状态说明如下表：

当B2EN输入低电平时，使用VBAT2馈电，输入高电平时，使用VBATl馈电。其中，C2、C1、B2EN都由电话控制电路的单片机U509控制。

Am79R70在ALU的应用：

ALU(模拟用户接口单元)是连接普通模拟话机和数字交换网络的接口电路，CCITT为程控数字交换机的模拟用户接口规定了7项功能，称为BORSCHT，图3所示是BORSCHT的结构框图，这七项功能分述如图6。

图6 BORSCHT结构图

(1)、馈电B

在目前的交换机中，普遍都对外部模拟话机提供集中供电方式，即话机中送话器所需的直流工作电流由交换机提供，馈电电压一般为-48V。

(2)、过压保护O

交换机接口应保护交换机的内部电路不受外界雷电、工业高压和人为破坏的损害。

(3)、振铃控制R

接口应能向话机输送铃流，并能在话机摘机后切断铃流(截铃)。

(4)、监测S

接口应能监测用户环路直流电流的变化，并向控制系统输出相应的摘、挂机信号和拨号脉冲信息。

(5)、编解码C

用于完成模拟话音信号及带内信令的PCM 编码和解码。

(6)、混合电路H

用于完成环路2线传输与交换网络4线传输之间的变换。

(7)、测试T

接口通常还应提供测试环路系统各个环节工作状态的辅助功能。

Am79R70在ALU中主要完成B(馈电)、O(过压保护)、R(振铃控制)、S(监测)、H(混合)、T(测试)功能，而编解码通常由编解码芯片来完成。

五、图像光纤传输系统

因为视频信号的带宽为0～6Mhz相对于语音信号的0～3Khz来说宽了许多，因此光发射机和光接收机的要求更加严格。在实验中应该认真仔细的调整才能得到满意的图像传输效果。实验框图如图7：

图7 光纤图像传输框图

六、固定速率时分复用和解固定速率时分复用原理及实现

在实际应用中，通常总是把数字复接器和数字分接器装在一起做成一个设备，称为复接分接器。数字复接器的作用是把两个或两个以上的支路数字信号按时分复接方式合并成为单一的合路数字信号。数字复接器由定时、调整和复接单元所组成。定时单元的作用是为设备提供统一的基准时间信号，备有内部时钟，也可以由外部时钟推动。调整单元的作用是对各输入支路数字信号进行必要的频率或相位调整，形成与本机定时信号完全同步的数字信号。复接单元的作用是对已同步的支路信号进行时间复接以形成合路数字信号。

复接方式：

将低次群复接成高次群的方法有三种；逐比特复接；按码字复接：按帧复接。在本实验中，由于速率固定，信息流量不大，所以我们所应用的方式为按码字复接，下面我们把这种复接方式作简单介绍，对于其他两种方式将在以后的实验中进行介绍。

按码字复接：对本实验来说，速率固定，信息结构固定，每8位码代表一―码字‖。这种复接方式是按顺序每次复接1个信号的8位码，输入信息的码字轮流被复接。复接过程是：首先取第一路信息的第一组―码字‖，接着取第二路信息的第一组―码字‖，再取第三信息的第一组―码字‖，轮流将3个支路的第一组―码字‖取值一次后再进行第二组―码字‖取值，方法仍然是：首先取第一路信息的第二组码，接着取第二路信息的第二组码，再取第三路信息的第二组码，轮流将3个支路的第二组码取值一次后再进行第三组码取值，依此类推，一直循环下去，这样得到复接后的二次群序列（d）。这种方式由于是按码字复接，循环周期较长，所

需缓冲存储器的容量较大，目前应用的很少。

按码字复接示意图固定速率时分复用包含数字信号源、复接器两个部分。

1.数字信号源。

其中74LS151的真值表如下：

其中，A 、B 、C

4CE 、3CE 、2CE 、1CE 始终为―0‖，保持四片74151始终用信号输出： 2.复接器

复接器是由FPGA 实现的，其框图为：

其中，

在固定速率时分复用时，先要对四路输入信号进行时隙的调整，调整前后波形如下图所示：

最后，将四路数据相与就得到复接信号了。四路数据输出的帧结构是：

其中，帧同步码可以是数字信号源四路输出中的任意一路。改变帧同步码的位置，数字信号源终端的显示位置也将改变。

解固定速率时分复用部分包括分解器、数字锁相环和帧同步码提取三个部分，其框图如下：

调整前D D D D D D D D D D D D D

D D D D D D D D D D D D 0D 7

D 6D 5D 4D 3D 2D 1D 7

D 6D 5D 4D 3D 2D 1D 0D 7

D 6D 5D 4D 3D 2D 1D 0D 4

D 3D 2

D 1

D 调整后四路输入

C A

因为一路数字信号源用做帧同步码，因此，只显示了三路数据。下面介绍一下帧同步码：目前已经找到的最常用的群同步码字，就是―巴克码‖。巴克码是一种具有特殊规律的二进制码字。它的特殊规律是：若一个n 位的巴克码{}123,,...,n x x x x ，每个码元i x 只可能取值+1或-1，则它必然满足条件

10()0,1,10n j

i i j i n

j R j x x j n

-+==?==?

+-<

以n = 7的巴克码为例，它的局部自相关函数计算结果如下当j = 0时：

(0)11111117i i R x ===++++++=∑

当j = 1时：

解固定速率时分复用框图

巴克码码字表

(1)1111110i i i R x x +===+-+--=∑

当j = 2时：

(2)111111i i i R x x +===---+=-∑

同样可以求出j = 3、4、5、6、7，以及j = -1、-2、-3、-4、-5、-6、-7时R （j ）的值为

70()0

1,3,712,4,6

j R j j j =??==±±±??-=±±±?

根据上式计算出来的这些值，可以作出7位巴克码关于R （j ）与j 的关系曲线，如下图所示。可以看出，自相关函数在j ＝0时具有尖锐的单峰特性。局部自相关函数具有尖锐的单峰特性正是连贯式插入群同步码字的主要要求之一。

七位巴克码的自相关函数

帧同步码识别后的波形如图所示：

巴克码

(a)

(b)

分解器主要由移位寄存器构成，框图如下：

七、4路数据电话光纤综合传输系统（选做）

数字信号源显示终端

本实验是综合了固定速率时分复用、解固定速率时分复用、PCM编译码实验、波分复用三个实验。实验框图如下

【实验仪器】

LTE-GX-02E型光纤通信实验系统1台、示波器1台、光纤跳线2根、电话2部、监视器1台、摄像头1台。

【实验内容】

一、模拟信号光纤传输实验

1.关闭系统电源，用光纤跳线连接1310nm光发模块和1310nm光收模块。

2.将模拟信号源模块的正弦波（P410）连接到1310nm光发模块的P104。

3.把1310nm光发模块的J101设置为―模拟‖。

4.将模拟信号源模块的开关J400的调到1K端。

5.将1310nm光收模块的RP106顺时针旋到最大，RP107逆时针旋到最大。

6.打开系统电源，用示波器观测模拟信号源模块的TP402,调节模拟信源模块的RP400，使信号的峰-峰值为2V。

7.用示波器观测模拟信号源的TP402和1310nm光收的TP108,调节1310nm光发的RP104使TP108的波形和TP402的相同,且幅值最大。此时，1310nm光收发模块无失真的传输模拟信号。

8.关闭系统电源，拆除实验导线。将各实验仪器摆放整齐。

二、电话语音光纤传输实验

1.关闭系统电源。

2.参照步骤一的实验步骤，将1310nm光收发模块和1550nm光收发模块调为无失真传输状态（此部非常关键必须调节）。然后，关闭系统电源，保留光纤跳线连接，拆除其它连线。

3.信号连接导线的连接方式如下：

起）,测试两部电话的通话情况。

5.关闭系统电源，拆除实验导线。将各实验仪器摆放整齐。

三、图像光纤传输实验

1.关闭系统电源。

2.参照步骤一的实验步骤，将1310nm光收发模块调为无失真传输状态（此部非常关键必须调节）。然后，关闭系统电源，保留光纤跳线连接，拆除其它连线。

3.用视频连接线连接摄像头和1310nm光发模块的P104。再用视频连接线连接1310nm 模拟输出和监视器。（摄像头有3个接口，其中红色的接口是电源线，黄色的接口是视频线，白色的接口是音频线，本实验主要使用红色的接口和白色的接口。）

4.打开系统电源，可以观察到监视器上会显示摄像头传输的视频信号。（注意：监视器背后有一按键应将其设置为A V模式。如果图像比较模糊，调节摄像头的焦距即可得到清晰

的图像。）

5.调节1310nm光收模块的RP106、RP108，观察图像有何变化。

6.关闭系统电源，拆除实验导线。将各实验仪器摆放整齐。

四、固定速率时分复用和解固定速率时分复用原理及实现实验

1.关闭系统电源。

2.按如下方式用信号连接导线连接：

“00000000”，U303拨为“00000000”。

4.用示波器观测P300和P742。对比变速率时分复用前后波形变化。

5.关闭电源，将1310nm光发模块的J100第一位拨为“ON”，第二位白拨为“OFF”，RP100逆时针旋到最大，J101设置为“数字”。

6.用光纤跳线连接1310nm光发模块和1310nm光收模块。

7.打开系统电源。用示波器观测1310nm光发模块的TP103和1310nm光收模块的TP109。将1310nm光收模块的RP106顺时针旋到底，RP108逆时针旋到底，最后，调节RP107使TP103和TP109的波形相同。

8.将数字信号源第一路的拨码开关U300拨为帧同步码（01110010，拨码开关ON为―0‖，OFF为―1‖）。分别改变其他三路的拨码开关，观察数字信号源终端的发光二极管的值及输出数字信号变化。

9.分别改变帧同步码的位置，再观察数字信号源终端的发光二极管的值。并记录。

10.关闭系统电源，拆除实验导线。将各实验仪器摆放整齐。

五、4路数据电话光纤综合传输系统（选做）

【注意事项】

1.在实验过程中切勿将光纤端面对着人，切勿带电进行光纤的连接。

2.爱护仪器，保证线路连接正确。

【思考题】

1.叙述热电话的通话流程。

2.描述图像信号光纤传输的原理。

3.思考固定速率复用是按位复接还是按字复接？